EP0392943B1 - Dispositif de détermination de caractéristiques de particules en suspension dans un liquide - Google Patents

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EP0392943B1
EP0392943B1 EP90420180A EP90420180A EP0392943B1 EP 0392943 B1 EP0392943 B1 EP 0392943B1 EP 90420180 A EP90420180 A EP 90420180A EP 90420180 A EP90420180 A EP 90420180A EP 0392943 B1 EP0392943 B1 EP 0392943B1
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EP
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particles
measurement cell
fractionator
suspension
measurement
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Jacques Silvy
René Pascal
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ASSOCIATION DE GESTION DE L'ECOLE FRANCAISE DE PAPETERIE ET DE L'IMPRIMERIE
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ASSOCIATION DE GESTION DE L'ECOLE FRANCAISE DE PAPETERIE ET DE L'IMPRIMERIE
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    • G01N33/34—Paper
    • G01N33/346—Paper sheets

Definitions

  • the present invention relates to a device for determining the characteristics of particles in suspension in a liquid.
  • the present invention applies more particularly to the characterization of the constituents of paper pulps during the manufacture of paper. It makes it possible in particular to measure parameters such as length, width, curvature, and proportion between the organic elements and the mineral elements.
  • Suspensions such as paper pulp include fibrous organic elements and mineral elements of extremely varied shapes, sizes and proportions which it is important to know because the properties of the finished product depend largely on these parameters.
  • the particles include fibers whose largest dimension varies between a few fractions of a millimeter and more than a centimeter which are suspended in a liquid, usually water.
  • this type of device has the disadvantage of requiring the use of an optical measurement vein consisting of a capillary of small section so as to strictly limit the number of fibers which scans at a given time so that you can take individual fiber images and fiber length measurements. Indeed, if a large number of fibers arrive simultaneously, their images cannot be separated and the length measurement cannot be carried out.
  • the disadvantage of using a capillary of small section is, in addition to increasing the measurement time, the fact that in practice such a capillary is likely to be blocked by an accumulation of particles or the arrival of 'a particle of larger section.
  • the above-mentioned optical vein measurement methods are not used in the context of industrial manufacturing but only in the laboratory, by taking samples and examining them separately.
  • Such a fractionation device or fractionator, consists of a pipe in which a liquid (eluent) circulates between two air bubbles and into which particles already in suspension are injected. The particles are then concentrated in suspension and classified. In stationery, the eluent will generally be water.
  • a hydrodynamic fractionation device By sending the output of such a hydrodynamic fractionation device successively into different containers, for example placed on a carousel, each of the containers is filled with eluent containing fibers in a given range of lengths.
  • a fractionator is not a measuring device but a sorting device.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus for measuring the quantity of particles fractionated by size interval as well as characteristic parameters of fibers or other components suspended in a liquid, this apparatus having the advantage of being able to be used in an industrial environment and allow periodic monitoring, practically in real time, of a pulp in suspension circulating in treatment pipes.
  • the present invention is based on the observation that, among the parameters which can be measured by passing through an optical measurement vein, for the measurement of certain parameters only, an attempt is made to make an individual analysis on a fiber (measurement of the length of the fibers for which we seek to make the individual image of each fiber), which requires the use of a small capillary. On the other hand, for the other parameters, the overall characteristics of the scattered, diffracted, and / or depolarized light are analyzed and statistical results are obtained which do not require analysis on a fiber or other element taken individually.
  • the present invention provides for associating in the same device a hydrodynamic fractionator and an optical measurement vein directly receiving the output of the fractionator.
  • the latter is used to provide in diluted form and classified in order of size of the fiber samples introduced therein.
  • the instants of arrival of the fibers in the measuring vein relative to the instant of injection into the fractionator give, in relation to a calibration, a measurement of the length of the fibers while the quantity of these fibers as well as the others associated parameters are detected by optical sensors and other processing devices associated with the optical measurement vein.
  • the measuring device according to the present invention can therefore operate at high speed and without the risk of fouling.
  • the present invention provides a device for determining the characteristics of particles in suspension in a liquid, comprising means for injecting samples of particles; a fractionator which classifies these particles as a function of a first parameter and supplies them at its output in an orderly and temporally determined manner as a function of this first parameter; an optical measuring vein receiving the output of the fractionator, this optical measuring vein comprising means for sending coherent electromagnetic radiation polarized through the flow of suspended particles and for collecting diffracted light, possibly depolarized, partially absorbed and diffused in various directions and means for calculating the values of the intensities and combinations of these values in the various directions of the optical radiation.
  • the fractionation element is a hydrodynamic classifier diluting the suspension, making a classification favoring the length of the particles, this element consisting of a pipe the section is small compared to its length, given quantities of sample of particles in suspension in a liquid being injected at determined times in the pipe in which an eluent circulates at controlled flow.
  • a carousel is provided, the operation of which is synchronized with the injection periods of the sample of suspended particles to collect successive fractions of the fluid containing particles classified according to the first parameter.
  • a programmable automaton ensures the sequencing between the injection of the samples into the fractionation element and the measurements taken by sensors associated with the optical measurement vein to measure in particular at each corresponding time to particles of given length, their quantity, width, curvature and the proportion between the mineral and organic elements.
  • the means for collecting the light comprise photodetectors arranged in a circle to allow a sectoral analysis of the diffracted light intensity and the calculation means comprise means for deducing therefrom a form factor of the particles in the measurement stream.
  • the outlet of the device according to the invention is also classified according to the length of the particles. It can therefore be directed towards different outputs during successive time periods, to allow additional measurements to be made on sorted particles.
  • Figure 1 shows schematically and in the form of blocks the overall organization of a device for measuring the characteristics of elements diluted in water, such as fibers and mineral charges, flowing in a pipe 1 d 'a paper mill.
  • a withdrawing member 2 makes it possible to take a sample of the paper pulp circulating in the pipe 1 at desired times and then to inject it into a fractionation device 3 consisting for example of a very long pipe supplied with permanence in fluid.
  • the outlet of the fractionator 3 is directed towards an optical measuring vein 4 and, after measurement, the fluid is poured into a reservoir 5 and possibly recovered.
  • the synchronization of the system is ensured by a programmable controller 6 which sends appropriate signals to the various valves and takes at selected times the outputs of the sensors associated with the measuring device 4.
  • This programmable controller can include a microprocessor.
  • the fractionator 3 sends particles of sequentially decreasing lengths to the measuring vein and the measuring vein 4 is used to measure the quantity of fibers in the different sequences as well as the characteristics of the fibers and mineral fillers other than their lengths.
  • FIG. 2 illustrates an exemplary embodiment of the sampler 2.
  • the latter comprises a chamber 201 extended by a portion of line 202.
  • the chamber 201 is capable of communicating with line 1 by a valve 203 controlled by an actuator 204 controlled by a distributor 205 itself controlled by the programmable automaton 6.
  • Water supplies to chamber 201 and line 202 are controlled by valves 206 and 207, the valve 206 receiving water at normal pressure and the valve 207 high pressure water, and in particular at a pressure higher than that prevailing in the pipe 1.
  • the portion of pipe 202 communicates by a valve 208 with the inlet of the fractionator 3.
  • a valve 209 and a flow limiter 210 allow purge the line portion 202. All of the previously listed valves operate under the control of the programmable controller 6.
  • a sampling operation follows the steps indicated in Table 1 below in which the letter F denotes a valve closing phase and the letter O an opening phase.
  • the fractionator 3 can for example consist of a semi-rigid plastic pipe with a section of a few tens to a few hundred mm2 and a length of the order of a few tens to a few hundred meters, this pipe being for example rolled up to limit the bulk
  • FIG. 3 schematically represents an embodiment of the measurement cell 4.
  • the fluid leaving the fractionator 3 circulates in a measuring vein 400 consisting of a portion of pipe of reduced section and with parallel flat faces made of a material transparent to polarized electromagnetic radiation, preferably associated with an inlet convergent and a diverging Release.
  • the radiation source is for example a polarized neon helium laser 401 whose beam is expanded by an optical system 402 to provide a beam of parallel rays 403 having for example a diameter of several millimeters which is sent into the reduced section portion 400 .
  • the beam is collected by a lens 404 and, in the absence of particles, is focused at point O of a measurement plane 407.
  • Phototransistors or other photodetectors 405 and 406 are placed on either side of point O and in its immediate vicinity.
  • One of the phototransistors, for example the phototransistor 405, is preceded by a polarizer 409 ensuring the extinction of the incident beam in the absence of depolarization.
  • the polarizer 409 the polarization direction of which is orthogonal to the plane of polarization of the incident beam, itself disposed at 45 ° to the main axis (YY ') of orientation of the fibers in the vein, is placed on one half of the plane analysis which is thus separated into two circular half-sectors delimited by the diameter YY 'as shown in Figure 4.
  • the beam When particles circulate in the measurement stream 400, the beam is diffracted, scattered, and possibly depolarized. Its intensity in various directions is detected in the measurement plane 407 by the photodetectors 405 and 406 and by eccentric photodetectors 408.
  • FIG. 4 represents a front view of the measurement plane 407 and the arrangement of the photodetectors 408 in this plane.
  • the various photodetectors 405, 406, 408, as well as an additional detector 410 receiving part of the incident beam sampled for example by a semi-transparent mirror 411 are connected to PLC 6 for processing.
  • the automaton will in particular use the signal from the detector 410 as a reference for the intensity of the laser beam 401.
  • a signal variation on the signals from the phototransistors 405 and 406 will make it possible to indicate the start of passage of the fibers in the vein. of measurement.
  • a calibration of the device will make it possible to determine, as a function of the volume of eluent that has flowed, the length of the first fibers arriving, then to know at any time the length of the fibers passing through the measuring vein, this calibration depending on the volume of sample taken by the sampler 2, the characteristics of the fractionator 3, and the composition of the sample.
  • the photodetectors are represented by small circles.
  • a first group of sensors 408-1 is distributed on a circle centered on the focal spot, a second group of sensors 408-2 is placed on the half-diameter OX '; and a third group of sensors 408-3 is placed along the diameter YY '.
  • the polarizer 409 extends over half of the measurement plane, and is limited by a border indicated in bold lines, corresponding substantially to the axis YY ′ but extending beyond the sensors 408-3 in the upper part of figure and below in the lower part of the figure.
  • This arrangement of the sensors makes it possible to analyze the diffraction pattern and the state of polarization of the beam having passed through the measuring vein.
  • Curve A represents the distribution of the diffracted intensity for a set of relatively rectilinear fibrous elements preferably oriented along the axis YY ′, that is to say the axis of the measurement vein.
  • Curve B represents the distribution of the intensity for fibrous elements whose curvature is more pronounced but whose mean orientation is always YY '.
  • the comparison of the signals from the 408-1 sensors gives information characterizing the curvature of the fibers.
  • FIG. 5 illustrates by way of example the distribution of the intensity of the diffracted radiation in the direction XX 'by particles of different diameters and of given length.
  • This measurement is carried out by the sensors 408-2 located on the axis XX '.
  • Curve I c represents the distribution of diffracted energy for particles of relatively large diameter
  • curve I d the distribution of energy for particles of smaller diameter.
  • the sensors 408-3 arranged on the axis YY ′ are more particularly intended for characterizing particles of more or less isometric appearance and of small dimensions.
  • the polarizer 409 crossed with respect to the polarization direction of the source laser is placed in front of the sensors 408-3 along the semi-axis OY, and not in front of the sensors 408-3 arranged along the semi-axis OY '.
  • An intensity distribution characteristic of a possible depolarization is therefore obtained and the result of which makes it possible to differentiate the mineral particles from the cellulosic fibers.
  • the image can be copied onto the plane 407 in a camera and the various components analyzed in a chosen manner.
  • a cylindrical cell could be adapted, that is to say a simple portion of glass tube (which is then not not a capillary).
  • the above applies mutatis mutandis, the measurement plane becoming a cylindrical measurement surface.
  • FIG. 6 represents an example of the variation in intensity received by the sensors 405 and 406 in the time interval T1-T2 for the passage of the sample in the measurement vein.
  • the sensor 406 receives light from the source 401 having passed through the entire system but without having passed through a polarization analyzer.
  • the sensor 405 receives the light which has passed through the polarization analyzer 409.
  • a first utility of the sensors 405 and 406 is to give the quantity of fibers of different lengths circulating in the measuring vein at each instant.
  • the programmable controller can also choose to perform measurements during the time interval T0-T1 where normally only pure eluent flows to detect noise levels which will be subtracted from the measurement levels of the various sensors.
  • the programmable controller will be able to command the reinjection of samples at selected times spaced by a duration greater than the time interval T1-T2 so that there is no overlap in the fractionator 3.
  • the output of the flow circulating in the measurement vein can be directed to tanks mounted on a carousel to send sequentially, during the time interval T1-T2, the product in the various tanks carried by the carousel. There is thus a means of sorting the particles by length category which also makes it possible to carry out a posteriori verifications on the optical measurements previously carried out or any other measurement.
  • the present invention relates more particularly to the characterization of the morphology of paper pulps during the manufacturing processes on the production lines of paper, cardboard and similar materials mainly consisting of fibrous particles.
  • the measurement of the length of the fibers can be used, for example, for the adjustment of paper pulp refiners and the measurement of the proportion of organic and mineral elements for the adjustment of the fibrous composition as well as the control of the charge retention. minerals in the papermaking process.
  • the present invention can also be used in the laboratory and for determining the morphology of all types of particles, mono or polydispersed suspended in a liquid.
  • An application of the present invention will be to couple the system described above with the visualization of the particles in flow in the suspension before and / or after their classification, thus allowing the approximation of the quantitative information collected in the process presently described with the subjective specific characteristics of the particles when they are observed in movement in the suspension in flow visualized by the image.
  • the device described facilitates measurements by image analysis of samples previously taken and classified with a view to quantitative measurements carried out by established software.

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Description

  • La présente invention concerne un dispositif de détermination des caractéristiques de particules en suspension dans un liquide. La présente invention s'applique plus particulièrement à la caractérisation des constituants de pâtes à papier au cours de la fabrication du papier. Elle permet notamment de mesurer des paramètres tels que longueur, largeur, courbure, et proportion entre les éléments organiques et les éléments minéraux.
  • Les suspensions comme les pâtes à papier comprennent des éléments organiques fibreux et des éléments minéraux de formes, de dimensions et en proportions extrêmement variées qu'il importe de connaître car les propriétés du produit fini dépendent en grande partie de ces paramètres. Les particules comprennent des fibres dont la plus grande dimension varie entre quelques fractions de millimètre et plus d'un centimètre qui sont en suspension dans un liquide, couramment de l'eau.
  • On connaît dans l'art antérieur de nombreux procédés de détermination de caractéristiques de particules en suspension telles que des fibres et des charges minérales contenues dans une pâte à papier.
  • On a proposé (voir par exemple US-A-4 692 210) des appareils dans lesquels les particules en suspension dans un liquide sont amenées à passer par une veine transparente qui est éclairée, par exemple par une source de lumière cohérente, ce qui permet d'effectuer les diverses mesures suivantes :
    • mesure de longueur de fibres par formation de l'image des fibres sur des lignes de photodétecteurs et comptage du nombre de photodétecteurs impressionnés,
    • mesure d'une dimension caractéristique de leur diamètre par analyse de figures de diffraction et de diffusion, et
    • mesure de la proportion fibre cellulosique/charge minérale par la mesure de la dépolarisation du flux direct d'une source de lumière.
  • Dans le cas de la mesure de longueur, ce type d'appareils présente l'inconvénient d'exiger l'utilisation d'une veine de mesure optique constituée d'un capillaire de petite section de façon à limiter strictement le nombre de fibres qui la parcourt à un instant donné pour pouvoir ainsi effectuer des images de fibres individuelles et des mesures de longueur de fibres. En effet, si un grand nombre de fibres arrive simultanément, leurs images ne peuvent être séparées et la mesure de longueur ne peut être effectuée. L'inconvénient de l'utilisation d'un capillaire de petite section est, outre l'augmentation du temps de mesure, le fait qu'en pratique un tel capillaire est susceptible d'être bouché par une accumulation de particules ou l'arrivée d'une particule de section plus importante. Il en résulte que les procédés de mesure à veine optique susmentionnés ne sont pas utilisés dans le cadre de fabrications industrielles mais uniquement en laboratoire, par prélèvement d'échantillons et examen séparé de ceux-ci.
  • Indépendamment des appareils de mesure de paramètres caractéristiques de la morphologie de fibres ou autres éléments en suspension dans un liquide, on connaît dans l'art antérieur des appareils de fractionnement de particules, utilisés en papeterie, qui permettent de classer les constituants d'une pâte à papier en fonction de la longueur des fibres. Un exemple d'un tel appareil est décrit dans un article de Gunnar OLGARD paru dans TAPPI, Vol. 53, N°7, juillet 1970, PP 1240-1270.
  • Un tel appareil de fractionnement, ou fractionneur, consiste en un tuyau dans lequel circule un liquide (éluant) entre deux bulles d'air et dans lequel on injecte des particules déjà en suspension. Les particules sont alors concentrées en suspension et classées. En papeterie, l'éluant sera généralement de l'eau. En envoyant la sortie d'un tel appareil de fractionnement hydrodynamique successivement dans des récipients différents, par exemple placés sur un carrousel, chacun des récipients se remplit d'éluant contenant des fibres dans une gamme de longueurs donnée.
  • Un fractionneur n'est pas un appareil de mesure mais un appareil de tri.
  • Un objet de la présente invention est de prévoir un appareil de mesure de la quantité de particules fractionnées par intervalle de taille ainsi que de paramètres caractéristiques de fibres ou autres composants en suspension dans un liquide, cet appareil présentant l'avantage de pouvoir être utilisé dans un environnement industriel et de permettre un suivi périodique, pratiquement en temps réel, d'une pâte à papier en suspension circulant dans des conduites de traitement.
  • La présente invention se base sur l'observation que, parmi les paramètres qui peuvent être mesurés par passage dans une veine de mesure optique, pour la mesure de certains paramètres seulement, on cherche à faire une analyse individuelle sur une fibre (mesure de longueur des fibres pour laquelle on cherche à faire l'image individuelle de chaque fibre), ce qui impose l'utilisation d'un capillaire de petite dimension. Par contre, pour les autres paramètres, on analyse les caractéristiques globales de la lumière diffusée, diffractée, et/ou dépolarisée et on obtient des résultats statistiques qui ne nécessitent pas d'analyse sur une fibre ou autre élément pris individuellement.
  • Ainsi, la présente invention prévoit d'associer dans un même appareil un fractionneur hydrodynamique et une veine de mesure optique recevant directement la sortie du fractionneur. Ce dernier est utilisé pour fournir sous forme diluée et classée par ordre de taille des échantillons de fibres qui y sont introduits. Les instants d'arrivée des fibres dans la veine de mesure par rapport à l'instant d'injection dans le fractionneur donnent, en relation avec un calibrage, une mesure de la longueur des fibres tandis que la quantité de ces fibres ainsi que les autres paramètres associés sont détectés par des capteurs optiques et autres organes de traitement associés à la veine de mesure optique.
  • On peut alors analyser un grand nombre de fibres circulant simultanément et il n'est plus nécessaire de prévoir un capillaire de très petite dimension pour la veine de mesure optique. L'appareil de mesure selon la présente invention peut donc fonctionner à haut débit et sans risque d'encrassement.
  • Plus particulièrement, la présente invention prévoit un dispositif de détermination de caractéristiques de particules en suspension dans un liquide, comprenant des moyens pour injecter des échantillons de particules ; un fractionneur qui classe ces particules en fonction d'un premier paramètre et les fournit à sa sortie de façon ordonnée et déterminée temporellement en fonction de ce premier paramètre ; une veine de mesure optique recevant la sortie du fractionneur, cette veine de mesure optique comprenant des moyens pour envoyer un rayonnement électromagnétique cohérent polarisé à travers le flux de particules en suspension et pour recueillir la lumière diffractée, éventuellement dépolarisée, partiellement absorbée et diffusée dans diverses directions et des moyens de calcul des valeurs des intensités et de combinaisons de ces valeurs dans les diverses directions du rayonnement optique.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'élément de fractionnement est un classeur hydrodynamique diluant la suspension effectuant un classement privilégiant la longueur des particules, cet élément étant constitué d'un tuyau dont la section est faible par rapport à sa longueur, des quantités données d'échantillon de particules en suspension dans un liquide étant injectées à des instants déterminés dans le tuyau dans lequel un éluant circule à débit controlé.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, à la sortie de la veine de mesure optique, est prévu un carrousel dont le fonctionnement est synchronisé avec les périodes d'injection d'échantillon de particules en suspension pour recueillir des fractions successives du fluide contenant des particules classées selon le premier paramètre.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, un automate programmable assure le séquencement entre l'injection des échantillons dans l'élément de fractionnement et les prises de mesure par des capteurs associés à la veine de mesure optique pour mesurer notamment à chaque instant correspondant à des particules de longueur donnée, leur quantité, leur largeur, leur courbure et la proportion entre les éléments minéraux et organiques.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens pour recueillir la lumière comprennent des photodétecteurs disposés selon un cercle pour permettre une analyse sectorielle de l'intensité lumineuse diffractée et les moyens de calcul comprennent des moyens pour en déduire un facteur de forme des particules dans la veine de mesure.
  • Les particules se trouvant diluées et triées en fonction de leur longueur par passage dans l'appareil de fractionnement hydrodynamique, la sortie du dispositif selon l'invention est également classée en fonction de la longueur des particules. On peut donc orienter celle-ci vers des sorties différentes lors de périodes temporelles successives, pour permettre d'effectuer des mesures complémentaires sur des particules triées.
  • Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
    • la figure 1 représente, partiellement sous forme de blocs, l'agencement général d'un dispositif selon la présente invention ;
    • la figure 2 représente un exemple de préleveur automatique d'échantillon sur une conduite de pâte à papier ,
    • la figure 3 représente le schéma de principe de la veine de mesure et de ses dispositifs associés ,
    • la figure 4 représente un exemple de disposition d'éléments photosensibles dans le plan de l'image de diffraction ,
    • la figure 5 représente l'allure des variations d'intensité lumineuse mesurée par des détecteurs photosensibles permettant de caractériser des particules de différents diamètres ,
    • la figure 6 représente une courbe d'intensité lumineuse en fonction du temps au voisinage de l'axe optique du système de mesure ; et
    • la figure 7 représente une courbe de calibrage de longueurs de fibres en fonction du temps pour un appareil selon l'invention.
    STRUCTURE D'ENSEMBLE DE L'INVENTION
  • La figure 1 représente de façon schématique et sous forme de blocs l'organisation d'ensemble d'un dispositif de mesure des caractéristiques d'éléments dilués dans l'eau, tels que des fibres et des charges minérales, circulant dans une conduite 1 d'une papeterie. Un organe préleveur 2 permet d'effectuer un prélèvement d'échantillon de la pâte à papier circulant dans la conduite 1 à des instants souhaités puis de l'injecter dans un dispositif de fractionnement 3 constitué par exemple d'un tuyau de grande longueur alimenté en permanence en fluide. La sortie du fractionneur 3 est dirigée vers une veine de mesure optique 4 et, après mesure, le fluide est déversé dans un réservoir 5 et éventuellement récupéré. La synchronisation du système est assurée par un automate programmable 6 qui envoie des signaux appropriés aux diverses vannes et prélève à des instants choisis les sorties des capteurs associés au dispositif de mesure 4. Cet automate programmable peut comprendre un microprocesseur. Le fractionneur 3 envoie à la veine de mesure des particules de longueurs séquentiellement décroissantes et la veine de mesure 4 sert à mesurer la quantité de fibres dans les différentes séquences ainsi que les caractéristiques des fibres et charges minérales autres que leurs longueurs.
    • PRÉLEVEUR
  • La figure 2 illustre un exemple de réalisation du préleveur 2. Celui-ci comprend une chambre 201 prolongée par une portion de conduite 202. La chambre 201 est susceptible de communiquer avec la conduite 1 par une soupape 203 commandée par un actionneur 204 piloté par un distributeur 205 lui-même commandé par l'automate programmable 6. Des arrivées d'eau vers la chambre 201 et la conduite 202 sont commandées par des vannes 206 et 207, la vanne 206 recevant de l'eau à pression normale et la vanne 207 de l'eau à haute pression, et notamment à une pression supérieure à celle régnant dans la conduite 1. La portion de conduite 202 communique par une vanne 208 avec l'entrée du fractionneur 3. Une vanne 209 et un limiteur de débit 210 permettent de purger la portion de conduite 202. Toutes les vannes précédemment énumérées agissent sous la commande de l'automate programmable 6.
  • Une opération de prélèvement suit les étapes indiquées dans le tableau 1 ci-dessous dans lequel la lettre F désigne une phase de fermeture d'une vanne et la lettre O une phase d'ouverture.
    Figure imgb0001
  • La succession des phases de fonctionnement pour effectuer un prélèvement est la suivante :
    • Phase 1.
    Les vannes 206 et 208 sont ouvertes, les autres vannes étant fermées, de l'eau circule dans la chambre 201 et la conduite 202 pour sortir vers le fractionneur 3. C'est la phase de plus longue durée pendant laquelle un échantillon préalablement prélevé circule dans le fractionneur.
    Phase 2.
    Pendant une très courte durée, toutes les vannes sont fermées.
    Phase 3.
    Les vannes d'entrée d'eau pure 206 et 207 et la vanne de sortie 208 sont fermées, la soupape 203 est ouverte ainsi que la vanne 209 et la chambre 201 et la portion de conduite 202 se remplissent de la pâte en suspension en provenance de la conduite 1 à un débit constant déterminé par le limiteur 210 pour admettre un volume donné de pâte à papier en fonction du temps d'ouverture des vannes.
    Phase 4.
    Bien que des états soient indiqués dans le tableau pour cette phase il s'agit d'une phase transitoire pendant laquelle la vanne 203 est en cours de fermeture sous l'effet de l'actionneur 204. Pendant cette phase, la vanne 207 est ouverte pour injecter de l'eau pure sous haute pression, supérieure à celle de la pâte à papier dans la conduite 1 pour rincer le siège de soupape 203 et éviter des fuites dues à un coincement de fibres au moment de la fermeture.

    On revient ensuite à la phase 1 et l'échantillon prélevé contenu dans la chambre 201 et la conduite 202 s'écoule dans le fractionneur.
  • Le préleveur décrit et illustré en figure 2 l'a été uniquement pour montrer qu'il était possible, de façon industrielle, de prélever automatiquement des échantillons de volume déterminé dans la conduite de pâte à papier 1 et les injecter dans le fractionneur 3. Tout autre moyen d'injection de volumes donnés d'échantillons de pâte à l'entrée du fractionneur pourra être imaginé par l'homme de l'art sans sortir du domaine de l'invention.
  • Le fractionneur 3 peut par exemple être constitué d'un tuyau en matière plastique semi-rigide d'une section de quelques dizaines à quelques centaines de mm2 et d'une longueur de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de mètres, ce tuyau étant par exemple enroulé pour limiter l'encombrement
    • CELLULE DE MESURE
  • La figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation de la cellule de mesure 4.
  • Le fluide sortant du fractionneur 3 circule dans une veine de mesure 400 constituée d'une portion de conduite à section réduite et à faces planes parallèles en un matériau transparent à un rayonnement électromagnétique polarisé, de préférence associé à un convergent d'entrée et un divergent de sortie. La source de rayonnement est par exemple un laser à hélium néon polarisé 401 dont le faisceau est expansé par un système optique 402 pour fournir un faisceau de rayons parallèles 403 ayant par exemple un diamètre de plusieurs millimètres qui est envoyé dans la partie de section réduite 400.
  • Le faisceau est collecté par une lentille 404 et, en l'absence de particules, est focalisé au point O d'un plan de mesure 407. Des phototransistors ou autres photodétecteurs 405 et 406 sont placés de part et d'autre du point O et en son proche voisinage. L'un des phototransistors, par exemple le phototransistor 405, est précédé d'un polariseur 409 assurant l'extinction du faisceau incident en l'absence de dépolarisation. Le polariseur 409 dont la direction de polarisation est orthogonale au plan de polarisation du faisceau incident, lui-même disposé à 45° de l'axe principal (YY') d'orientation des fibres dans la veine, est placé sur une moitié du plan d'analyse qui est ainsi séparé en deux demi-secteurs circulaires délimités par le diamètre YY' comme le montre la figure 4.
  • Quand des particules circulent dans la veine de mesure 400, le faisceau est diffracté, diffusé, et éventuellement dépolarisé. Son intensité dans diverses directions est détectée dans le plan de mesure 407 par les photodétecteurs 405 et 406 et par des photodétecteurs excentrés 408.
  • La figure 4 représente une vue de face du plan de mesure 407 et la disposition des photodétecteurs 408 dans ce plan. Avant de décrire cette figure plus en détail, on notera également en figure 3 que les divers photodétecteurs 405, 406, 408, ainsi qu'un détecteur supplémentaire 410 recevant une partie du faisceau incident prélevé par exemple par un miroir semi-transparent 411 sont connectés à l'automate programmable 6 pour traitement. L'automate utilisera en particulier le signal du détecteur 410 comme référence de l'intensité du faisceau laser 401. En outre, une variation de signal sur les signaux des phototransistors 405 et 406 permettra d'indiquer le début de passage des fibres dans la veine de mesure. Un étalonnage de l'appareil permettra de déterminer, en fonction du volume d'éluant qui s'est écoulé, la longueur des premières fibres arrivant, puis de connaître à tout instant la longueur des fibres traversant la veine de mesure, cet étalonnage dépendant du volume d'échantillon prélevé par le préleveur 2, des caractéristiques du fractionneur 3, et de la composition du prélèvement.
  • On va maintenant décrire plus en détail le fonctionnement du système de mesure en considérant la disposition des capteurs 408 dans le plan de mesure 407. Dans cette figure, les photodétecteurs sont représentés par de petits cercles. Un premier groupe de capteurs 408-1 est réparti sur un cercle centré sur la tache focale , un second groupe de capteurs 408-2 est placé sur le demi-diamètre OX' ; et un troisième groupe de capteurs 408-3 est placé selon le diamètre YY'. Le polariseur 409 s'étend sur la moitié du plan de mesure, et est limité par une frontière indiquée en traits gras, correspondant sensiblement à l'axe YY' mais s'étendant au-delà des capteurs 408-3 dans la partie supérieure de la figure et en deçà dans la partie inférieure de la figure.
  • Cette disposition des capteurs permet d'analyser la figure de diffraction et l'état de polarisation du faisceau ayant traversé la veine de mesure.
  • On a également représenté dans le demi-plan supérieur de la figure 4 la répartition de l'intensité reçue dans le plan de mesure 407 dans deux cas particuliers. La courbe A représente la répartition de l'intensité diffractée pour un ensemble d'éléments fibreux relativement rectilignes orientés préférentiellement suivant l'axe YY', c'est-à-dire l'axe de la veine de mesure. La courbe B représente la répartition de l'intensité pour des éléments fibreux dont la courbure est plus prononcée mais dont l'orientation moyenne est toujours YY'. La comparaison des signaux des capteurs 408-1 donne une information caractérisant la courbure des fibres.
  • En pratique, certains types d'éléments passant dans la veine de mesure provoquent une dépolarisation de la lumière (c'est par exemple le cas des fibres de cellulose). On obtient alors, comme cela est représenté, des courbes A et B, symétriques par rapport à l'axe OY (au facteur d'atténuation du polariseur 409 près). D'autres particules ne dépolariseront pas la lumière. L'intensité reçue derrière le polariseur 409 sera alors très faible. On obtiendra donc des courbes asymétriques par rapport à OY. Ainsi, les signaux fournis par les photodétecteurs 408-1 fourniront, outre une information sur la courbure, des informations sur la nature des éléments passant dans la veine de mesure.
  • La figure 5 illustre à titre d'exemple la répartition de l'intensité du rayonnement diffracté selon la direction XX' par des particules de différents diamètres et de longueur donnée. Cette mesure est effectuée par les capteurs 408-2 se trouvant sur l'axe XX'. La courbe Ic représente la répartition d'énergie diffractée pour des particules de diamètre relativement important et la courbe Id la répartition d'énergie pour des particules de diamètre plus faible. On voit que, dans les deux cas, l'intensité est relativement importante au voisinage du centre, dans la zone désignée par d, puis que l'intensité décroit plus ou moins lentement avant de chuter. Cette décroissance est d'autant plus marquée que les particules ont un diamètre plus grand. Ainsi, la répartition d'intensité selon l'axe XX' donne une indication du diamètre des fibres en cours de circulation.
  • Les capteurs 408-3 disposés sur l'axe YY' sont plus particulièrement destinés à caractériser les particules d'aspect plus ou moins isométrique et de petites dimensions. On rappelle que le polariseur 409, croisé par rapport à la direction de polarisation du laser source est placé devant les capteurs 408-3 le long du demi-axe OY, et non pas devant les capteurs 408-3 disposés le long du demi-axe OY'. On obtient donc une répartition d'intensité caractéristique d'une éventuelle dépolarisation et dont le résultat permet de différencier les particules minérales des fibres cellulosiques.
  • Bien que l'on ait indiqué ci-dessus une disposition et une utilisation particulières des capteurs, l'homme de l'art saura utiliser les signaux des divers capteurs pour en tirer d'autres informations. Dans le cas le plus général, on pourra recopier l'image sur le plan 407 dans une caméra et en analyser les diverses composantes de façon choisie.
  • D'autre part, alors que l'on a décrit précédemment une veine de mesure à cellule à face parallèle, on pourrait adapter une cellule cylindrique, c'est-à-dire une simple portion de tube de verre (qui n'est alors pas un capillaire). En ce cas, ce qui précède s'applique mutatis mutandis, le plan de mesure devenant une surface de mesure cylindrique.
    • CYCLE DE MESURE
  • Ayant décrit précédemment l'organisation générale du dispositif de mesure selon l'invention et des modes de réalisation particuliers de certains de ses constituants, on va maintenant décrire une séquence de mesure, en notant qu'une telle séquence se répètera périodiquement. Ces séquences de mesure sont fixées par l'automate programmable 6.
  • En considérant le tableau 1, à un instant To au début de la phase 1, immédiatement après la phase 4 d'injection d'un échantillon, de l'éluant pur circule dans la veine de la cellule de mesure optique. A partir de cet instant, comme l'indique la figure 6, les capteurs 405, 406 et 408 fournissent uniquement des signaux de bruit. A partir d'un instant T1, les capteurs commencent à fournir des signaux plus intenses, ce qui indique que les premières fibres (les plus longues) arrivent dans la cellule de mesure. La figure 6 représente un exemple de la variation d'intensité reçue par les capteurs 405 et 406 dans l'intervalle de temps T1-T2 de passage de l'échantillon dans la veine de mesure. Comme on l'a vu précédemment, le capteur 406 reçoit la lumière en provenance de la source 401 ayant traversé l'ensemble du système mais sans être passé par un analyseur de polarisation. Le capteur 405 lui reçoit la lumière ayant traversé l'analyseur de polarisation 409. Ainsi, une première utilité des capteurs 405 et 406 est de donner la quantité de fibres de différentes longueurs circulant dans la veine de mesure à chaque instant.
  • Pour des volumes d'éluant donnés en circulation avec un débit maintenu soigneusement constant, il est possible comme l'indique la figure 7 d'étalonner le système pour faire correspondre à chaque instant dans l'intervalle de temps T1-T2 une longueur L des fibres passant dans la cellule de mesure. En figure 7, la courbe marquée R correspond à un étalonnage pour des fibres de résineux et la courbe F à un étalonnage pour des fibres de feuillus.
  • Les informations concernant les instants T1 et T2 étant reçues par l'automate programmable 6, celui-ci déclenche en conséquence les prises d'information à partir des divers capteurs 405, 406, 408-1, 408-2 et 408-3 décrits précédemment en relation avec la figure 4. L'automate programmable peut également choisir d'effectuer des mesures pendant l'intervalle de temps T0-T1 où, normalement, ne circule que de l'éluant pur pour détecter des niveaux de bruit qui seront soustraits des niveaux de mesure des divers capteurs.
  • En outre, l' automate programmable pourra commander la réinjection d'échantillons à des instants choisis, espacés d'une durée supérieure à l'intervalle de temps T1-T2 pour qu'il n'y ait pas de recouvrement dans le fractionneur 3. De plus, comme cela a été indiqué, la sortie du flux circulant dans la veine de mesure peut être dirigée vers des réservoirs montés sur un carrousel pour envoyer séquentiellement, au cours de l'intervalle de temps T1-T2, le produit dans les divers réservoirs portés par le carrousel. On dispose ainsi d'un moyen de tri des particules par catégorie de longueur qui permet aussi d'effectuer des vérifications a posteriori sur les mesures optiques précédemment effectuées ou toute autre mesure.
  • La présente invention vise plus particulièrement la caractérisation de la morphologie des pâtes à papier au cours des processus de fabrication sur les chaînes de production des papiers, cartons et matériaux similaires principalement constitués de particules fibreuses. La mesure de la longueur des fibres peut être utilisée, par exemple, pour le réglage des raffineurs de pâtes à papier et la mesure de la proportion des éléments organiques et minéraux pour le réglage de la composition fibreuse ainsi que le contrôle de la rétention des charges minérales dans le processus de fabrication du papier. La présente invention peut aussi être utilisée en laboratoire et pour la détermination de la morphologie de tous les types de particules, mono ou polydispersées en suspension dans un liquide. Une application de la présente invention sera de coupler le système décrit ci-avant avec la visualisation des particules en écoulement dans la suspension avant et/ou après leur classement, permettant ainsi le rapprochement des informations quantitatives recueillies dans le procédé présentement décrit d'avec les caractères spécifiques subjectifs des particules lorsqu'elles sont observées en mouvement dans la suspension en écoulement visualisée par l'image. Le dispositif décrit facilite les mesures par l'analyse d'image d'échantillons préalablement prélevés et classés en vue de mesures quantitatives réalisées par des logiciels établis.
  • D'autre part, alors que l'on a décrit précédemment un préleveur, un fractionneur et une cellule de mesure particuliers, l'homme de l'art pourra choisir d'autres dispositifs équivalents plus simples ou plus complexes.

Claims (9)

  1. Dispositif de détermination de caractéristiques de particules en suspension dans un liquide, comprenant :
       des moyens d'injection d'échantillons de particules,
       une veine de mesure optique (4) comprenant des moyens pour envoyer un rayonnement électromagnétique cohérent polarisé à travers un flux de particules en suspension et pour recueillir la lumière diffractée, éventuellement dépolarisée partiellement absorbée et diffusée dans diverses directions, et
       des moyens de calcul des valeurs des intensités et de combinaisons de ces valeurs dans les diverses directions du rayonnement optique,
    caractérisé en ce qu'il comprend, entre les moyens d'injection et la veine de mesure, un élément de fractionnement (3) qui classe les particules injectées en fonction d'un premier paramètre et les fournit à sa sortie de façon ordonnée et déterminée temporellement en fonction de ce premier paramètre.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de fractionnement est un classeur hydrodynamique effectuant un classement privilégiant la longueur des particules, cet élément étant constitué d'un tuyau dont la section est faible par rapport à sa longueur, des quantités données d'échantillon de particules en suspension dans un liquide étant injectées à des instants déterminés dans le tuyau dans lequel un éluant circule à débit contrôlé.
  3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre à la sortie de la veine de mesure optique un carrousel (5) dont le fonctionnement est synchronisé avec les périodes d'injection d'échantillon de particules en suspension pour recueillir des fractions successives du fluide contenant des particules classées selon le premier paramètre.
  4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (2) pour prélever automatiquement à des instants déterminés des volumes donnés d'échantillon d'un fluide contenant des particules en suspension à partir d'une conduite (1) d'un processus industriel et pour les injecter dans ledit dispositif de classement.
  5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un automate programmable (6) assurant le séquencement entre l'injection des échantillons dans l'élément de fractionnement et les prises de mesure par les capteurs associés à la veine de mesure optique pour mesurer notamment à chaque instant correspondant à des particules de longueur données, leur quantité, leur largeur, leur courbure et la proportion entre les éléments minéraux et organiques.
  6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la veine de mesure est un tube transparent de section cylindrique.
  7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour recueillir la lumière comprennent des photodétecteurs (408-1) disposés selon un cercle pour permettre une analyse sectorielle de l'intensité lumineuse diffractée et en ce que les moyens de calcul comprennent des moyens pour en déduire un facteur de forme des particules dans la veine de mesure.
  8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayonnement envoyé dans la veine de mesure est polarisé à 45° de l'axe d'orientation préférentielle des particules allongées dans la veine de mesure et en ce qu'une partie des photodétecteurs recueillant la lumière ayant traversé la veine de mesure est précédée d'un analyseur croisé (409).
  9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour comparer les signaux de photodétecteurs disposés symétriquement par rapport audit axe d'orientation préférentielle dans la zone de lumière diffractée, les uns étant derrière ledit analyseur, les autres non.
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